Структурные и магнитные состояния магнитострикционных сплавов Fe3Me, Me = Al, Ga, Ge в широком интервале температур

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На источниках рентгеновского, синхротронного и нейтронного излучений выполнена серия дифракционных экспериментов на ряде сплавов, по составу близких к стехиометрическому Fe3Me с Mе = Al, Ga, Ge. В диапазоне температур (20–1100) К определены структурные, магнитные и микроструктурные характеристики сплавов и изучена их температурная эволюция в ходе непрерывного медленного нагрева и последующего охлаждения. Уточнены и конкретизированы имеющиеся в литературе сведения о метастабильных и равновесных состояниях сплавов при повышенных температурах, выполнен их сравнительный анализ. Установлена идентичность температурного поведения сплавов при Т < 100 К. Поиск тетрагональной фазы L60, образование которой в сплавах Fe-Ga рассматривается как основная причина резкого увеличения константы магнитострикции, не привел к положительному результату.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. M. Балагуров

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kirivale@yandex.ru
Россия, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980; Ленинский пр-т 4, Москва, 119049; Ленинские горы, 1, Москва, 119991

И. С. Головин

Объединенный институт ядерных исследований; Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: kirivale@yandex.ru
Россия, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980; Ленинский пр-т 4, Москва, 119049

Б. Ержанов

Объединенный институт ядерных исследований; Казанский (Приволжский) федеральный университет; Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан

Email: kirivale@yandex.ru
Россия, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980; ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008; ул. Ибрагимова, 1, Алматы, 050032 Казахстан

К. В. Калугин

Объединенный институт ядерных исследований; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kirivale@yandex.ru
Россия, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980; Ленинские горы, 1, Москва, 119991

С. В. Сумников

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kirivale@yandex.ru
Россия, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980

Д. Ю. Чернышов

SNBL at ESRF

Email: kirivale@yandex.ru
Франция, авеню Мартиров, 71, 38000, Гренобль

Список литературы

  1. Clark A.E., Hathaway K.B., Wun-Fogle M., Restorff J.B., Lograsso T.A., Keppens V.M., Petculescu G., Taylor R.A. Extraordinary magnetoelasticity and lattice softening in bcc Fe–Ga alloys // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. P. 8621–8623.
  2. Restorff J.B., Wun-Fogle M., Hathaway K.B., Clark A.E., Lograsso T.A., Petculescu G. Tetragonal magnetostriction and magnetoelastic coupling in Fe–Al, Fe–Ga, Fe–Ge, Fe–Si, Fe–Ga–Al, and Fe–Ga–Ge alloys // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 023905.
  3. Kubaschewski O. Iron – Binary phase diagrams. Berlin: Springer-Verlag, 1982. 160 p.
  4. Ikeda O., Kainuma R., Ohnuma I., Fukamichi K., Ishida K. Phase equilibria and stability of ordered BCC phases in the Fe-rich portion of the Fe–Al system // Intermetallics. 2001. V. 9. P. 755–761.
  5. Okamoto H. Fe–Ga (Iron-Gallium) // J. Phase Equilibria and Diffusion. 2004. V. 25. P. 100.
  6. Okamoto H. Fe–Ge (Iron-Germanium) // J. Phase Equilibria and Diffusion. 2008. V. 29. P. 292.
  7. Ikeda O., Kainuma R., Ohnuma I., Fukamichi K., Ishida K. Phase equilibria and stability of ordered b.c.c. phases in the Fe-rich portion of the Fe–Ga system // J. Alloys Compd. 2002. V. 347. P. 198–205.
  8. Golovin I.S., Mohamed A.K., Bobrikov I.A., Balagurov A.M. Time-Temperature-Transformation from metastable to equilibrium structure in Fe–Ga // Mater. Letters. 2020. V. 263. P. 127257.
  9. Golovin I.S., Mohamed A.K., Palacheva V.V., Cheverikin V.V., Pozdnyakov A.V., Korovushkin V.V., Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Fazel N., Mouas M., Gasser J.- G., Gasser F., Tabary P., Lan Q., Kovacs A., Ostendorp S., Hubek R., Divinski S., Wilde G. Comparative study of structure and phase transitions in Fe-(25-27)%Ga alloys // J. Alloy Comp. 2019. V. 811. P. 152030.
  10. Balagurov A.M., Sumnikov S.V., Cifre J., Palacheva V.V., Chubov D.G., Golovin I.S. In situ study of order-disorder transitions and anelasticity in Fe-26Al alloy // J. Alloys Comp. 2023. V. 932. P. 167663.
  11. Balagurov A.M., Samoylova N.Yu., Sumnikov S.V., Palacheva V.V., Golovin I.S. Structural and magnetic phase transitions in Fe3Ge: A neutron diffraction study // Phys. Rev. Mat. 2023. V. 7. P. 063603.
  12. Golovin I.S., Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Sumnikov S.V., Mohamed A.K. Cooling rate as a tool of tailoring structure of Fe–(9–33%)Ga alloys // Intermetallics. 2019. V. 114. P. 106610.
  13. Drijver J.W., Sinnema S.G., Van der Woude F. Magnetic properties of hexagonal and cubic Fe3Ge // J. Phys. F: Met. Phys. 1976. V. 6. P. 2165–2177.
  14. Lograsso T.A., Ross A.R., Schlagel D.L., Clark A.E., Wun-Fogle M. Structural transformation in quenched Fe–Ga alloys // J. Alloy. Comp. 2003. V. 350. P. 95–101.
  15. Balagurov A.M., Chernyshov D.Yu., Bosak A.А., Bobrikov I.A., Sumnikov S.V., Golovin I.S. In-grain phase separation and structural ordering in Fe-Ga alloys seen from reciprocal space // Intermetallics. 2021. V. 128. P. 107016.
  16. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А.К., Балагуров А.М. Структура и свойства Fe–Ga сплавов – перспективных материалов для электроники // ФММ. 2020. Т. 121. № 9. С. 937–980.
  17. Balagurov A.M. Scientific reviews: high-resolution Fourier diffraction at the IBR-2 reactor // Neutron News. 2005. V. 16. P. 8–12.
  18. Балагуров А.М., Головин И.С. Рассеяние нейтронов в исследованиях функциональных сплавов на основе железа (Fe–Ga, Fe–Al) // УФН. 2021. Т. 191. № 7. С. 738–759.
  19. Dyadkin V., Pattison Ph., Dmitriev V., Chernyshov D. A new multipurpose diffractometer PILATUS@SNBL // J. Synchrotron Radiat. 2016. V. 23. P. 825–829.
  20. Girard A., Nguyen-Thanh T., Souliou S.M., Stekiel M., Morgenroth W., Paolasini L., Minelli A., Gambetti D., Winkler B., Bosak A. A new diffractometer for diffuse scattering studies on the ID28 beamline at the ESRF // J. Synchrotron Radiat. 2019. V. 26. P. 272–279.
  21. Rodriguez-Carvajal J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction // Physica B. 1993. V. 192. P. 55–69.
  22. Wojdyr M. Fityk: a general-purpose peak fitting program // J. Appl. Cryst. 2010. V. 43. P. 1126–1128.
  23. Sears V.F. Neutron scattering lengths and cross-sections // Neutron News. 1992. V. 3(3). P. 26–37.
  24. Gou J., Yang T., Qiao R., Liu Y., Ma T. Formation mechanism of tetragonal nanoprecipitates in Fe–Ga alloys that dominate the material’s large magnetostriction // Scr. Mater. 2020. V. 185. P. 129–133.
  25. Cahn R.W. Lattice parameter changes on disordering intermetallics // Intermetallics. 1999. V. 7. P. 1089–1094.
  26. Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Sumnikov S.V., Golovin I.S. Coherent cluster ordering in Fe-xAl and Fe-xGa alloys // J. Alloy and Comp. 2021. V. 895. P. 162540.
  27. Clark J.B., Hastie J.W., Kihlborg L.H.E., Metselaar R., Thackeray M.M. Definitions of terms relating to phase transitions of the solid state // Pure & Appl. Chem. 1994. V. 66. P. 577594.
  28. Balagurov A.M., Samoylova N.Yu., Golovin I.S. Diffusive and displacive phase transitions in Fe–Ga alloys // Physica B. 2024. V. 676. P. 415668.
  29. Ашкрофт Н., Мермин Н. ФТТ. М.: МИР, 1979.
  30. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974. 199 с.
  31. Liu L., Shiyou F., Liu G., Wu G., Sun X., Li J. Transmission electron microscopy study on the microstructure of Fe85Ga15 alloy // Physica B. 2005. V. 365. P. 102–108.
  32. Jin T., Wang H., Chen Y., Li T., Wang J., Jiang C. Evolution of nanoheterogeneities and correlative influence on magnetostriction in FeGa-based magnetostrictive alloys // Mater. Characteriz. 2022. V. 186. P. 111780.
  33. Xing Q., Du Y., McQueeney R.J., Lograsso T.A. Structural investigations of Fe–Ga alloys: Phase relations and magnetostrictive behavior // Acta Mat. 2008. V. 56. P. 4536–4546.
  34. Sumnikov S.V., Bobrikov I.A., Golovin I.S., Balagurov A.M. Bulk vs. surface structural phases in Fe–27Ga alloy // J. Alloys Comp. 2022. V. 928. P. 167116.
  35. Yan K., Xu Y., Niu J., Wu Y., Li Y., Gault B., Zhao S., Wang X., Li Y., Wang J., Skokov K.P., Gutfleisch O., Wu H., Jiang D., He Y., Jiang C. Unraveling the origin of local chemical ordering in Fe-based solid-solutions // Acta Mat. 2024. V. 264. P. 119583.
  36. He Y., Ke X., Jiang C., Miao N., Wang H., Coey J.M.D., Wang Y., Xu H. Interaction of trace rare earth dopants and nanoheterogeneities induces giant magnetostriction in Fe-Ga alloys // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. P. 1800858.
  37. Chen B., Gong Y., Zhang Z., Lu Z., Pan S., Guo Y., Xu F. Microstructure related disparity of the magnetostriction in the 100 oriented directionally solidified Fe81Ga19 polycrystals // Scripta Mater. 2023. V. 227. P. 115296.
  38. Zhao X., Ke Y., Xie S., Sun M., Jiang H., Li B., Wang X. Nanoprecipitation induced giant magnetostriction: A time-resolved small-angle neutron scattering study of the vacancy-assisted kinetics // J. Mat. Science & Techn. 2025. V. 210. P. 1–9.
  39. Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Chernyshov D.Yu., Sohatsky A.S., Sumnikov S.V., Yerzhanov B., Golovin I.S. Tetragonal phases in Fe-Ga alloys: A quantitative study // Phys. Rev. Mat. 2024. V. 8. P. 073604.
  40. Albertini F., Pareti L., Deriu A., Negri D., Calestani G., Moze O., Kennedy S.J., Sonntag R. A magnetic and structural stydy of Mn, Co, and Ni substituted Fe3Ge2 hexagonal germanides // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 401–410.
  41. Wu R. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 7358–7360.
  42. Cullen J., Zhao P., Wuttig M. Anisotropy of crystalline ferromagnets with defects // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 123922.
  43. Ruffoni M.P., Pascarelli S., Grössinger R., Sato Turtelli R., Bormio-Nunes C., Pettifer R.F. Direct Measurement of Intrinsic Atomic Scale Magnetostriction // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 147202.
  44. Sun M., Jiang W., Ke Y., Ge B., Wang X., Fang Q. Tetragonal dipole dominated Zener relaxation in BCC-structured Fe-17at. %Ga single crystals // Acta Mat. 2023. V. 258. P. 119245.
  45. Golovin I.S. Anelastic Effects in Fe–Ga and Fe–Ga-Based Alloys: A Review // Materials 2023. V. 16. P. 2365.
  46. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Влияние отжига в ферромагнитном состоянии на структуру сплава железа с 18% галлия // ФТТ. 2019. Т. 61. № 1. С. 12–21.
  47. Ершов Н.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Шишкин Д.А., Смирнов О.П., Семенов В.Г. Ближний порядок в неупорядоченных твердых растворах алюминия в α-железе // ФТТ. 2023. Т. 65. № 3. С. 372–385.
  48. Johansson G., Gorbatov O.I., Etz C. Theoretical investigation of magnons in Fe-Ga alloys // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 184410.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Нейтронные дифракционные спектры сплавов в исходном состоянии (слева) и после медленных нагрева до 1100 К и охлаждения до КТ (справа). Указаны индексы Миллера нескольких первых брэгговских пиков. Вертикальные штрихи – расчетные положения пиков. Для Fe3Al положения пиков указаны для ячейки фазы D03 (aD03 ≈ 2aB2). В спектре Fe3Ge (в) при d ≈ 2 Å видны два слабых пика фазы B82. В спектре Fe3Ga (д) при d ≈ 2.05 Å виден слабый пик 110 фазы А2. В спектре Fe3Ge (е) при d ≈ 1.85 Å виден слабый пик 200 фазы А1.

Скачать (817KB)
Метаданные
3. Рис. 2. 2D-представление эволюции дифракционных спектров состава Fe74.5Ga25.5, измеренные в ходе его нагрева до 1100 K (+2 K/мин) и последующего охлаждения до КT (-2 K/мин). Ось температуры – снизу вверх, ось межплоскостных расстояний – слева направо. При нагреве наблюдаются переходы: D03 → L12 → D019 → А2. При охлаждении наблюдаются переходы: А2 → D03 → L12. Время измерения одного спектра – 1 мин, всего 2D-карта содержит около 850 спектров.

Скачать (870KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Параметры элементарных ячеек матрицы (треугольники, aF, удвоенная величина) и кластеров (ромбы, aS) в сплаве Fe3Ga, определенные из межплоскостных расстояний индивидуальных (основных и сверхструктурных) дифракционных пиков.

Скачать (146KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости от температуры атомных объемов: сплавов Fe3Al (правая шкала) и Fe3Ge (левая шкала) (а); чистого железа и сплава Fe3Ga (б), определенные в ходе их нагревов со скоростью 2 К/мин. В исходном состоянии сплава Fe3Ge примерно в равной пропорции присутствуют фазы L12 (верхняя кривая) и D019 (нижняя кривая). Вертикальными линиями обозначены структурные переходы 1-го рода для Fe и Fe3Ga и 2-го рода для Fe3Al и Fe3Ge сплавов. Указаны приближенные значения объемных КТР (в единицах 10–5 1/град), определенные по участкам с линейным изменением объема ячейки.

Скачать (407KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость от температуры атомных объемов Fe3Me сплавов для Me = Al, Ga, Ge в области низких температур.

Скачать (192KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Нормированные при 20 К величины атомных объемов Fe3Me сплавов в области низких температур. Кривая (штриховая) для Fe построена по данным, приведенным в [30].

Скачать (228KB)
Метаданные
8. Рис. 7. hkk-слой обратного пространства сплава Fe73Ga27, восстановленный по дифракционным данным, полученным при 20°C на станции ID28 (ESRF). Решетка и индексы Миллера приведены для кубической ячейки D03 с параметром a ≈ 5.81 Å. В D03 разрешены рефлексы со всеми четными или всеми нечетными индексами Миллера. Рефлексы со смешанными индексами относятся к фазе X. Распределение интенсивности в выделенном направлении [2kk] показано на рис. 8.

Скачать (967KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение интенсивности в направлении [2kk] в слое hkk, показанном на рис. 7.

Скачать (506KB)
Метаданные
10. Рис. 9. hhl-слой обратного пространства сплава Fe73Al27, восстановленный по дифракционным данным, полученным при 20°C на станции ID28 (ESRF). Решетка и индексы Миллера приведены для кубической ячейки D03 с параметром a ≈ 5.78 Å. Для основных (сильных) рефлексов индексы Миллера удовлетворяют условию h + k + l = 4n (-2-2-4, 0 0-4 и др.). Остальные рефлексы являются сверхструктурными. Распределение интенсивности в выделенном направлении [hhl] показано на рис. 10.

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Распределение интенсивности в направлении [hhl] в слое hhl, показанном на рис. 9.

Скачать (337KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Температурные зависимости намагниченности сплавов Fe3Мe, измеренные при охлаждении со скоростью 6 K/мин. Температуры переходов в ферромагнитное состояние обозначены вертикальными линиями.

Скачать (227KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Температурная зависимость упорядоченного магнитного момента железа в фазе L12 сплава Fe73Ga27 в ходе его медленного охлаждения. Линия соответствует феноменологической формуле (4) с параметрами, указанными в тексте.

Скачать (488KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Фазовые состояния сплавов Fe3Al, Fe3Ga и Fe3Ge при повышенных температурах в ходе медленных нагрева и последующего охлаждения. В исходном состоянии сплава Fe3Ge фазы D019 и L12 присутствуют в примерно равных объемных долях.

Скачать (332KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Зависимости (Δd)2 от d2 для сплава Fe3Al в состояниях до нагрева (треугольники) и после цикла нагрева–охлаждения (кресты и ромбы). Ширины пиков, разрешенных в исходной B2-фазе, укладываются на квадратичную зависимость, соответствующую среднему размеру ОКР Lcoh ≈ 580 Å. Ширины пиков после нагрева–охлаждения описываются квадратичной зависимостью для сверхструктурных пиков фазы D03 (Lcoh ≈ 650 Å) и линейной зависимостью для фазы B2. Значения (Δd)2 умножены на 106.

Скачать (380KB)
Метаданные